JP2658051B2

JP2658051B2 - 位置合わせ装置，該装置を用いた投影露光装置及び投影露光方法

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Publication number: JP2658051B2
Application number: JP62118500A
Authority: JP
Inventors: 伸貴馬込
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1987-05-15
Filing date: 1987-05-15
Publication date: 1997-09-30
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: US5004348A; JPS63283129A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体素子等の製造に使用される投影露光
装置の位置合わせ装置及び該装置を有する投影露光装置
及び該投影露光装置を使った投影露光方法に関するもの
であり、特に原画パターンを有するマスクと、この原画
パターンが転写される半導体ウェハ等の基板とを相対的
に位置合わせする装置及び該装置を有するに関する投影
露光装置及び該投影露光装置を使った投影露光方法に関
するものである。

〔従来の技術〕

近年、半導体素子等の微細パターンを高分解能で半導
体ウェハ上に転写する装置として、投影型露光装置（ス
テッパー）が多用されるようになった。従来よりこの種
のステッパーにおいては、レチクル（マスクと同義）と
ウェハ上の１つのショット領域との位置合わせ、所謂ア
ライメント方式として、レチクルの回路パターン周辺に
形成されたアライメントマークと、ウェハ上のショット
領域周辺に形成されたアライメントマークとを同時検出
するものが知られている。

このアライメント方式ではレチクル上のマークとウェ
ハ上のマークとをともに高精度に検出し、その相対位置
ずれ量を求め、このずれ量が補正されるようにレチク
ル、又はウェハを微動させている。一般に投影型露光装
置は、レチクルのパターンをウェハ上に高解像力で結像
するために、投影光学系は露光用の照明光（例えば波長
436nmのｇ線、あるいは波長365nmのｉ線）のみに対して
良好に色収差補正されているのが現状である。このこと
は投影光学系を介してレチクルのマークとウェハのマー
クとを検出するアライメント光学系において、マーク照
明用の光が露光光の波長と同一、もしくは極めてそれに
近い波長に制限されることを意味する。

露光工程のウェハには表面にレジスト層が形成されて
おり、アライメント時にはレジスト層を介してウェハ上
のマークを検出する。このレジスト層は、より高解像の
パターン形成を可能とするために、露光光に対する吸収
率が高く、透過率が低くなるような多層レジスト構造等
を採用することが考えられてきた。この場合、アライメ
ント用の照明光がウェハ上のマークに達するまでに減衰
を受けることと、マークからの反射光（正反射光、散乱
光、回折光等）も減衰を受けることによって、ウェハ上
のマークがアライメント光学系によって十分な光量で認
識されないといった問題が生じる。

そこで、このようなレジストに対して透過率の高い波
長域の光をアライメント用照明光とすることが考えられ
る。その一例として、特開昭56−110234号公報に開示さ
れているように、レチクルと投影光学系との間のアライ
メント光路中に色収差補正用の小レンズ等を設け、露光
光とは異なる波長の光のもとでも、レチクル上のマーク
とウェハ上のマークとを互いに共役にする技術が知られ
ている。この方式では、投影光学系に対して補正用光学
系を可動にしておくと、補正用光学系の設定時の不安定
要因からアライメント精度が極端に低下してしまうた
め、専ら固定の位置関係に定められている。このため露
光時に補正光学系が回路パターンの結像光束の一部を遮
断しないように、レチクル上のマークは回路パターン領
域から十分に離れた位置に設けられる。一方、投影型露
光装置の中でも、ステップアンドリピート方式により、
ウェハ上の複数のショット領域の各々に対して順次レチ
クルのパターン像を重ね合わせて露光するステッパーで
は、ウェハ上のショット領域毎にアライメントできるこ
とが望ましい。

ところでアライメント精度は、マーク位置の検出分解
能を高めれば、それにみあって向上するものであるが、
現在、最も高精度な検出が可能なマークとして回折格子
を用いることが注目されている。これはレチクル上にマ
ークとして形成された格子と、ウェハ上にマークとして
形成された格子との各々から発生する回折光同志を相対
的に格子の配列方向に移動させることによって得られる
光電信号の位相差から、レチクルとウェハの位置ずれを
検出するものである。その一例として特公昭61−9733号
公報に開示されたものが知られている。その他に、プロ
キシミティ方式ではマスクの格子から発生する回折光
と、ウェハの格子から発生する回折光とを干渉させて得
られる光情報（正弦波状の強度変化）に基づいてマスク
とウェハの位置ずれを、回折格子のピッチの数分の１〜
数十分の１以下の分解能で検出する方式もある。

この場合、実験上では、回折格子を用いたアライメン
トで数nm程度の検出分解能を得られるとの報告もなされ
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

さて、従来のように補正光学系を有する投影露光方式
の場合、以下のような問題が生じる。

ウェハ上の各ショット領域の間は、通常50〜100μｍ
幅程度のスクライブ線で区画されている。仮りに、ある
ショット領域に付随したマークをスクライブ線上の回路
パターン領域から100μｍだけ離れた位置に設けるとし
た場合、投影光学系の縮小率を1/10にしたとしてもレチ
クル上のマークはレチクル上の回路パターン領域からわ
ずか1000μｍ（1mm）しか離れず、補正光学系を小レン
ズで構成したとすると、回路パターンの結像光路を遮断
しないためには、鏡筒も含めて直径、わずか2mm程度の
レンズ系を用意しなければならないことになる。このこ
とは極めて非現実的である。そこでこの問題点を解決し
て、レチクル上のマークを回路パターン領域から大きく
離しても、ウェハ上のショット領域に付随したマークと
の共役状態が保たれるように工夫された補正光学系の構
成が特公昭58−30736号公報に開示されている。

しかしながら、先の特開昭56−110234号公報にして
も、この特公昭58−30736号公報にしても、ウェハ上の
ショット領域の大きさ（すなわちレチクル上の回路パタ
ーンの大きさ）が変化することには対応できず、結局、
補正光学系（もしくはその一部）を動かす構成を採用す
るか、又はアライメント時と露光時とでレチクルとウェ
ハの相対位置が予め決った量だけオフセットしたサイト
アライメント方式を採用するかのいずれかを選択せざる
を得なかった。

一方、回折格子を用いたアライメント方式では高分解
能なマーク位置検出が可能ではあるが、先の特公昭61−
9733号公報に開示された技術においても、レチクルと投
影光学系との間のアライメント光路中に光学的変調器等
を設けることから、補正光学系を設けた場合とまったく
同じ問題が生じてしまう。このように、回折格子の周期
構造によって一義的に決まる周期的な光情報を直接利用
するアライメント方式は高精度になることが知られては
いるものの、投影型露光装置、特にステッパーに適用す
るための実用的な構造については、いまだに考えられて
いなかった。

〔問題点を解決するための手段〕

前述の課題を解決するために、特許請求の範囲第１項
に記載の発明によれば、第１の波長成分の光（露光光）
に関してマスク（１）と基板（４）とをほぼ共役関係に
する結像光学系（３）と、前記マスクに形成された位置
合わせ用の第１回折格子（RM）と前記基板に形成された
位置合わせ用の第２回折格子（WM）との各々からの回折
光を光電検出するための検出手段（25）と、該検出手段
からの信号に基づいて前記マスクと基板との相対的な位
置ずれを計測する計測手段（40）とを備えた位置合わせ
装置において、前記第１波長成分とは実質的に異なる第２の波長成分
の照明光（アライメント光）を前記第１回折格子と前記
第２回折格子とに照射するための光源（10）と；該光源と前記マスクとの間に設けられ、前記照明光を
１対の第１照明光束（±LB_1P）と１対の第２照明光束
（±LB_1S）とに変換するとともに、前記１対の第１照明
光束（±LB_1P）を前記第１回折格子上で所定角度で交差
させ、前記１対の第２照明光束（±LB_1S）を前記結像光
学系の色収差に影響されることなく前記第２回折格子上
で所定角度で交差させる２光束化手段（11,15,21）とを
備えたことを特徴とするものである。

また、特許請求の範囲第８項に記載の発明によれば、
レチクル（１）を保持する第１の可動ステージ（２）
と、前記レチクルを露光用照明光で照射する露光照明系
（30〜35）と、該露光用照明光のもとで前記レチクルの
回路パターンの像を感光基板（４）上に投影する投影光
学系と、前記感光基板を保持する第２の可動ステージ
（５）と、前記投影光学系と前記レチクルとを通った前
記感光基板の格子マーク（WM）からの光を受光して前記
感光基板の位置を検出するアライメント検出手段とを備
えた投影露光装置において、前記アライメント検出手段は、前記露光用照明光と異
なる波長のビームを放射する光源（10）と、該ビームを
入射して周波数差を有する１対の照明光束（±LB₁）を
生成する周波数変調器（11）と、該１対の照明光束を前
記レチクルと前記投影光学系とを介して前記感光基板の
格子マークに照射する対物光学系（21）と、前記１対の
照明光束の照明によって前記格子マークから発生して前
記投影光学系、前記レチクルの透明部および前記対物光
学系を介して進む２つの回折光の干渉光（105）を受光
し、前記周波数差に応じた交流の光電信号を出力する第
１の光電検出器（25）とを含み、前記露光用照明光の照射により前記回路パターンの像
を前記感光基板上に投影露光している間、前記１対の照
明光束を前記格子マークに照射して前記第１の光電検出
器から出力される光電信号の基準交流信号に対する位相
変化を検知することによって、前記感光基板のアライメ
ントずれを計測する計測手段（40）とを備えたことを特
徴とするものである。

また特許請求の範囲第12項に記載の発明によれば、レ
チクル（１）を保持する第１の可動ステージ（２）と、
前記レチクルを露光用照明光で照射する露光照明系（30
〜35）と、該露光用照明光のもとで前記レチクルの回路
パターンの像を感光基板上に投影する投影光学系（３）
と、前記感光基板を保持する第２の可動ステージ（５）
と、前記投影光学系と前記レチクルとを通った前記感光
基板の格子マーク（WM）からの光を受光して前記感光基
板の位置を検出するアライメント検出手段とを備えた投
影露光装置を用いた投影露光方法において、前記露光用照明光と異なる波長のビームから周波数差
を有する１対の照明光束（±LB₁）を生成し、該１対の照明光束を前記レチクルと前記投影光学系と
を介して前記感光基板の格子マークに照射し、前記格子
マークから発生して前記投影光学系、前記レチクルの透
明部および前記対物光学系を介して進む２つの回折光の
干渉光（105）を受光し、前記周波数差に応じたヘテロ
ダイン交流信号を出力し、前記露光用照明光の照射により前記回路パターンの像
を前記感光基板上に投影露光している間、前記ヘテロダ
イン交流信号の基準交流信号に対する位相変化を検知す
ることによって、前記感光基板のアライメントずれを計
測することを特徴とするものである。

〔作用〕本発明においては、アライメント光学系の照明光送光
路中に２光束化手段を設け、照明光を１対の第１照明光
束（±LB_1P）と１対の第２照明光束（±LB_1S）とに変換
するとともに、前記１対の第１照明光束（±LB_1P）を前
記第１回折格子上で所定角度で交差させ、前記１対の第
２照明光束（±LB_1S）を前記結像光学系の色収差に影響
されることなく前記第２回折格子上で所定角度で交差さ
せることによって、マスク（レチクル）と結像光学系
（投影光学系）との間に補正光学系を設けることを不要
とした。従って露光光とは異なる波長の光でマーク（回
折格子）を検出するにもかかわらず、従来のような補正
光学系に起因する各種問題が一掃され、極めて安定した
位置合わせが可能となる。さらにマスク上の格子と基板
上の格子との相対的な位置ずれを検出するために、各格
子の配列方向に関して異なった２方向からアライメント
用照明光が照射されるように、２光束化手段を光源とマ
スクとの間に配置した。このため各格子から発生する正
反射光と回折光（±１次光、±２次光等）とが明瞭に分
離されることになり、回折光を用いた格子間の位置ずれ
が高精度に求められる。また、回折格子に２方向から照
明光を入射することによって、一方の方向から照射によ
り発生する回折光と、他方の方向からの照射により発生
する回折光とを同一の光路にして干渉させることができ
るため、所謂光ヘテロダイン法を容易に採用することが
でき、位置ずれ計測の分解能は十分に高精度になり、計
測再現生、安定性とも十分に向上する。

〔実施例〕

次に本発明の実施例による位置合わせ装置の構成を第
１図に参照して説明する。所定の回路パターンとアライ
メント用の回折格子マークとを有するレチクル１は２次
元移動可能なレチクルステージ２に保持される。レチク
ル１上の各パターンは両側テレセントリックな結像光学
系としての投影レンズ３（投影光学系３）３によって露
光光のもとでウェハ４上に結像される。ただしこの投影
レンズ３は露光用の照明光波長（ｇ線、ｉ線等）に関し
て良好に色収差補正されており、その露光用の波長に関
してレチクル１とウェハ４とが互いに共役になるように
配置される。またウェハ４上にもレチクル１に形成され
た格子マークと同様の回折格子マークが形成されてい
る。さて、ウェハ４はステップアンドリピート方式で２
次元移動するステージ５上に吸着され、ウェハ４上の１
つのショット領域に対するレチクル１の転写露光が終了
すると、次のショット位置までステッピングされる。レ
チクルステージ２の一部には、レチクル１の水平面内で
のｘ方向、ｙ方向及び回転（θ）方向の位置を検出する
ためのレーザ光波干渉式測長器（以下、干渉計とする）
43からのレーザビームを反射する移動鏡６が固定されて
いる。この干渉計43はｘ方向、ｙ方向、θ方向の位置を
独立に検出するために３本の測長用レーザビームを有す
るが、ここでは説明を簡単にするため図示を一部省略し
てある。レチクルステージ２の移動のストロークは数ミ
リメートル以下であり、干渉計３の検出分解能は、例え
ば0.01μｍ程度に定められている。一方、ウェハステー
ジ５の一部には、ウェハ４の水平面内でのｘ方向、ｙ方
向の位置を検出するための干渉計45からのレーザビーム
を反射する移動鏡７が固定されている。この干渉計45も
ｘ方向、ｙ方向の位置を独立に検出するために２本の測
長用レーザビームを有するが、ここでは説明を簡単にす
るため図示を一部省略してある。レチクルステージ２の
ｘ方向、ｙ方向、θ方向の駆動は駆動モータ42で行なわ
れ、ウェハステージ５の２次元移動は駆動モータ46で行
なわれる。

ところで露光用の照明系は、水銀ランプ30、楕円鏡3
1、集光レンズや干渉フィルター等を含む入力レンズ群3
2、オプチカルインテグレータ（フライアイレンズ）3
3、ミラー34、メインコンデンサーレンズ35及びダイク
ロイックミラー22等によって構成される。ダイクロイッ
クミラー22はレチクル１の上方に45゜で斜設され、コン
デンサーレンズ35からの露光光を垂直に下方に反射さ
せ、レチクル１を均一に照射する。このダイクロイック
ミラー22は露光光の波長に対しては90％以上の反射率を
有し、アライメント用の照明光の波長（露光光よりも長
波長）に対しては50％以上の透過率を有する。

次に本実施例のアライメント系、すなわちレチクルと
ウェハとの相対的な位置ずれを計測する計測手段として
の位置検出系40を含むアライメント系結像光学系として
の投影レンズ３（投影光学系３）について説明する。ア
ライメント用の照明光はレーザ光源10から射出され、透
過型の基準回折格子を放射状に形成したラジアル・グレ
イティング11を通り、フーリエ変換レンズ13とビームス
プリッタ14を介してフーリエ面（アライメント光学系の
瞳面）に配置された空間フィルター15に達する。ラジア
ル・グレイティング11はモータ12によってほぼ一定の速
度で回転可能に構成される。このラジアル・グレイティ
ング11に入射したレーザ光は０次光、±１次光、±２次
光……のように、回折し、それぞれ異なった回折角で広
がっていく。第１図では０次光LB₀、＋１次光＋LB₁及び
−１次光−LB₁のみを示す。これら０次光、±１次光は
空間フィルター15上で明確に分離して分布し、０次光LB
_oのみが遮断され、±１次光は透過する。空間フィルタ
ー15を通った±１次光はビームスプリッター20を透過し
て２焦点光学系21に入射する。２焦点光学系21は第１図
では簡単に示してあるが、実際には複屈折物質（水晶、
分解石等）と顕微鏡用等のテレセントリックな対物レン
ズとを組み合わせたもので構成され、レーザ光の±１次
光の偏光成分（Ｐ偏光とＳ偏光）に応じて異なるパワー
を与えるものである。このため２焦点光学系21を射出し
た一方の偏光（例えばＰ偏光）はレチクル１の上方空間
の焦点26aに結像し、他方の偏光（例えばＳ偏光）はレ
チクル１の下面のパターン面と一致した焦点27aに結像
する。また２焦点光学系21の他方の焦点、すなわちレー
ザ光源10側で焦点26a、27aの夫々と共役な面は、ラジア
ル・グレイティング11と一致している。ここで２焦点光
学系21の２つの焦点26a、27bの光軸方向の間隔はアライ
メント用のレーザ光の波長における投影レンズ３のレチ
クル１側での色収差量に対応している。この焦点面26a
は投影レンズ３によってウェハ４の表面と一致した結像
面26bと共役になり、焦点面27a（レチクルパターン面）
は投影レンズ３によってウェハ４の表面から空間的に下
方に離れた結像面27bと共役になる。結像面26bと27bの
間隔は投影レンズ３のウェハ４側での色収差量に対応し
ている。以上のラジアル・グレイティング11と空間フィ
ルター15と２焦点光学系21で２光束化手段を構成する。
ここで結像面26bと27bの間隔距離をD_w、点面26aと27aの
間隔距離をD_r、そして投影レンズ３の投影倍率を1/M
（通常Ｍは１、2.5、５、10）とすると、一般的にD_r＝M
²・D_wの関係がある。アライメント用のレーザ光の波長
が露光光の波長から離れれば離れる程、投影レンズ３の
収差特性に応じてD_w、D_rは大きくなる。この種の投影レ
ンズの焦点深度は極めて浅く、±１μｍ程度であり、ア
ライメント用照明光の波長にもよるが間隔D_wは数10μｍ
程度に達することもある。尚、アライメント用照明光
（レーザ光）はウェハ４に塗布されたレジストに対して
ほとんど感度を持たない波長にすることが望しいが、本
発明においては必ずしも満たされるべき条件ではない。
それは投影レンズによって露光光の波長とアライメント
用照明光の波長とで極端に大きな収差が生じ、特にウェ
ハ４上の回折格子マークからの光情報自体に大きな歪み
が加えられてしまうからである。このためその収差との
兼ね合いで最適なアライメント用照明光を定めることを
優先することの方が重要である。従ってアライメント用
照明光が長時間（例えば１分以上）レジストを照射する
と、感光させてしまう（現像後に薄減りが生じる）よう
な弱い感度の波長になる場合もある。

さて、アライメント用のレーザ光の±１次光LB₁（Ｓ
偏光）は焦点面27aでレチクル１の回折格子マーク部分
に、＋１次光＋LB₁と−１次光−LB₁との成す角度で２方
向から入射し結像する。またレチクル１の透明部を透過
した焦点面26aからの±１次光LB₁（Ｐ偏光）は、投影レ
ンズ３を介して焦点面26bでウェハ４の回折格子マーク
部分に、＋１次光と−１次光との成す角度で２方向から
入射し結像する。そしてレチクル１の回折格子マークか
らの反射回折光はダイクロイックミラー22、２焦点光学
系21を介してビームスプリッタ20で反射され、空間フィ
ルター23でフィルタリングされた後、集光レンズ24によ
って検出手段としての光電検出器25に達する。またウェ
ハ４の回折格子マークからの反射回折光は投影レンズ３
を介して元の光路を戻り、レチクル１の透明部を透過し
てダイクロイックミラー22、２焦点光学系21、ビームス
プリッタ20、空間フィルター23、及び集光レンズ24を通
って光電検出器25に達する。空間フィルター23はアライ
メント光学系の瞳面と共役な位置、すなわち投影レンズ
３の瞳（射出瞳）と実質共役な位置に配置され、レチク
ル１、又はウェハ４からの正反射光を遮断し、レチクル
１又はウェハ４の回折格子に垂直（面の法線方向）に回
折される光のみを通すように定められている。そして光
電検出器25は２焦点光学系21、レンズ24を介してレチク
ル１、ウェハ４の夫々と共役に配置されている。

さて光電検出器25から得られる光電信号は２つの回折
格子マークの各々からの回折光同志が干渉したものとな
り、ラジアル・グレイティング11の回転速度に応じた正
弦波状の交流信号となる。ところでラジアル・グレイテ
ィング11からの±１次光、０次光は、ビームスプリッタ
14を透過し、瞳（フーリエ面）に配置された空間フィル
ター16で０次光のみが遮断され、レンズ系（逆フーリエ
変換レンズ）17によって参照用回折格子18上に結像す
る。この参照用回折格子18は装置上で固定されているも
のである。この回折格子18にも１対の照明光束としての
＋１次光＋LB₁と−１次光−LB₁とが所定の角度で２方向
から入射する。光電検出器19は参照用回折格子18を透過
した回折光（又は干渉光）を受光して、正弦波状の光電
信号を出力する。位相検出系40は、光電検出器25からの
光電信号と光電検出器19からの光電信号とを入力し、両
信号の波形上の位相差を検出する。検出された位相差
（±180゜）はレチクル１、ウェハ４の夫々に形成され
た回折格子マークの格子ピッチの1/2内の相対位置ずれ
量に一義的に対応している。制御系41は検出された位相
差（位置ずれ量）の情報、サーボシステム44を介して得
られる干渉計43、45の各々からの位置情報等に基づいて
駆動モータ42、46を制御し、レチクル１とウェハ４の相
対位置合わせ（アライメント）を行なう。

以上、本実施例の全体構成において、アライメント光
学系の一部、特に２焦点光学系21はレチクル１上のアラ
イメントマークの配置に応じて任意の位置に可動とさ
れ、どのようなマーク配置であってもマーク検出が可能
となっている。さらにレチクル１の上方に斜設したダイ
クロックミラー22のよって露光光とアライメント用照明
光とを分離するため、露光動作中であってもマーク検出
が可能となる。これは露光中において何らかの外乱でレ
チクル１とウェハ４とのアライメント状態が狂った場合
も、その時点でただちに検出できることを意味する。さ
らに位相検出系40からの位相差情報に基づいて露光動作
中であってもレチクルステージ２とウェハステージ５と
の位置決めサーボをクローズド・ループで実行できるこ
とをも意味する。尚、露光光の光源は水銀ランプ以外の
エキシマレーザ光源等に置きかえてもよい。

次に第２図を用いてアライメント系のみの詳細な構
成、及びアライメントの原理を説明する。第２図におい
て、第１図中のものと同一の部材には同じ符号をつけて
ある。ラジアル・グレイティング（基準回折格子）11に
はレーザ光源10から成形されたレーザ光束（ほぼ平行光
束）LBが入射する。このレーザ光束LBの偏光方向は、２
焦点光学系21によってＰ偏光とＳ偏光に分離されて焦点
26a、27aに集光するとき、Ｐ偏光とＳ偏光とでその光強
度（光量）が所定の比になるように調整されている。通
常、ウェハ４に達する光の方が損失が多いので、ウェハ
４への光量を増やすようにする。そのためには、２重焦
点素子を光軸の回りに回転させたり、レーザ光源とラジ
アル・グレイティング11の間にλ/2板を挿入し、それを
光軸の回りに回転させたりする構造を採用すればよい。
すなわち、それによってレチクル１に達する偏光とウェ
ハ４へ達する偏光との光量比を最適なものに調整でき
る。さて、ラジアル・グレイティング11からの１対の照
明光束±１次光＋LB₁は、テレセントリックな２焦点光
学系21に入射し、１対の照明光束のうちの一方の照明光
束＋１次光LB₁は偏光成分によってＰ偏光の＋LB_1PとＳ
偏光の＋LB_1Sとに分離れ、２焦点光学系21の光軸に対し
て回折角で決まる角度だけ傾いてレチクル１に達する。
同様に−１次光LB₁もＰ偏光の−LB_1PとＳ偏光の−LB_1S
とに分離され、光軸をはさんで＋１次光（＋LB_1P、＋LB
_1S）と対称的な角度でレチクル１に達する。Ｐ偏光に関
しては焦点27a、すなわちレチクル１の回折格子マークR
Mの位置に結像するため、Ｐ偏光の１対の照明光束（１
対の第１照明光束）である１次光＋LB_1P、−LB_1Pは回折
格子マークRMのところで交差（結像）する。第２図にお
いてマークRMの格子配列方向は紙面内の左右方向であ
り、１次光＋LB_1P、−LB_1Pの各々の光軸からの傾き方向
も第２図の紙面内に定められる。レチクル１には第３図
（ａ）に示すように回折格子マークRMと透明な窓部P_oと
が形成されており、１次光＋LB_1P、−LB_1Pはともにマー
クRMと窓部P_oとをカバーする大きさでレチクル１を照射
する。第３図（ａ）に示したマークRMはｘ方向（格子配
列方向）の位置検出に使われるものであり、ウェハ４上
の回折格子マークWMも第３図（ｂ）に示すように、これ
と対応している。マークWMはアライメント時（又は露光
時）にレチクルの窓部P_oの位置に整列するように定めら
れている。さて２焦点光学系21を射出したＳ偏光の１対
の照明光束（１対の第２照明光束）である１次光＋L
B_1S、−LB_1Sは空間上の焦点26aで一度結像した後、レチ
クル１の窓部P_oを透過し、投影レンズ３を介してウェハ
４の回折格子マークWMに互いに異なる２方向から入射す
るように結像される。投影レンズ３から射出したＳ偏光
の１次光＋LB_1S、−LB_1Sの各々は、回折格子マークWMの
格子配列方向に関して対称的に傾いて入射する。ウェハ
４に達したＳ偏光の１次光＋LB_1S、−L_1Sの成す角度は
大きくても投影レンズ３の射出（ウェハ）側の開口数を
越えることはない。尚、ラジアル・グレイティング11に
対してレチクル１とウェハ４とはそれぞれ共役に配置さ
れるため、レーザ光束LBが平行光束であるとすると、各
回折格子＋LB_1P、−LB_1P、＋LB_1S、−LB_1Sも平行光束と
なる。

ここでＰ偏光の１次光＋LB_1P、−LB_1Pのレチクル１の
マークRMに対するふるまいを第５図を用いて詳述する。
第５図はレチクル１のマークRMを模式的に表わしたもの
で、Ｐ偏光の１次光＋LB_1Pが角度θでマークRMに入射し
ているものとする。このとき１次光＋LB_1Pのレチクル１
での正反射光D_1Pも角度θで反射することになる。光束
＋LB_1Pが角度θで入射することは、光束−LB_1Pについて
も角度θで、正反射光D_1Pと逆向きにレチクル１に入射
することを意味する。そこで回折格子マークRMの格子ピ
ッチをＰ、レーザ光束LBの波長をλ、そしてｎを整数と
して、以下の（１）式を満たすようにピッチＰと角度θ
とを定める。

この（１）式を満足すると、１次光＋LB_1P、−LB_1Pの
照射によりマークRMから発生する特定次数の回折光104
は、レチクル１と垂直な方向、すなわち２焦点光学系21
の光軸に沿った方向に進む。もちろんその他の回折光10
3も発生するが、これは回折光104とは異なる方向に進
む。

ところでレチクル１のマークRMには２方向から光束＋
LB_1P、−LB_1Pが交差するように照射され、その両光束が
同一のレーザ光源10から射出されたものであることか
ら、マークRM上には２つの光束＋LB_1Pと−LB_1Pとの干渉
により、明暗の縞、所謂干渉縞が生じる。仮りにラジア
ル・グレイティング11が停止しているものとすると、こ
の干渉縞はマークRMの格子配列方向に所定のピッチで配
列する。干渉縞のピッチとマークRMの格子ピッチとは必
要とされる検出分解能に応じて適宜決定される。従っ
て、マークRMからの回折光104は、この干渉縞がマークR
Mを照射したことによって生じたものである。あるい
は、一方の光束＋LB_1Pの照射によってマークRMから生じ
た回折光と、他方の光束−LB_1Pの照射によってマークRM
から生じた回折光とが同一光路（２焦点光学系21の軸
上）を戻ることから相互に干渉したものとも考えられ
る。このようにマークRM上に異なる２方向から光束＋LB
_1P、−LB_1Pが照射されると、マークRMには干渉縞が生じ
るが、ラジアル・グレイティング11が回転している場合
は、その干渉縞がマークRMの格子配列方向に移動する
（流れる）ことになる。これはラジアル・グレイティン
グ11の１次光＋LB₁、−LB₁による暗視野像がレチクル１
のマークRM上に結像していることによる。このため、マ
ークRM上を干渉縞（ラジアル・グレイティング11の２焦
点光学系21等によって投影された回折像）が走査するこ
とによって、回折光104は明暗の変化を周期的に繰り返
すことになる。よって光電検出器25からの信号は、その
明暗変化の周期に応じた正弦波状の交流信号となる。

以上のことは、ウェハ４上の回折格子マークWMとＳ偏
光の光束＋LB_S、−LB_1Sとの関係においても全く同様で
あり、マークWMからは回折光105が発生し、これは投影
レンズ３の主光線に沿って進み、レチクル１の窓部P₀を
介して光電検出器25に達する。２焦点光学系21を射出し
たＳ偏光の光束＋LB_1S、−LB_1Sは焦点26aでは交差する
ように結像するが、レチクル１のマークRM、窓部P_oにお
いては大きくデフォーカスしてしまう。

さて、光電検出器25は２焦点光学系21を介してマーク
RMとマークWMの夫々と共役に配置されるとしたが、実際
には第２図に示すように、マークRM、WMの夫々と共役な
位置に、第３図（Ｃ）に示すようなマスク部材25′を設
け、このマスク部材25′のアパーチャA_P、A_Sを透過した
回折光104、105を光電検出するように構成される。ここ
でアパーチャA_Pは、例えばレチクル１のマークRMからの
回折光104による回折像を取り出すものであり、アパー
チャA_Sはウェハ１のマークWMからの回折光105による回
折像を取り出すものである。従って光電検出器25を各ア
パーチャA_P、A_Sの後に別個に設けることによって、マー
クRMによるレチクル１の位置検出とマークWMによるウェ
ハ１の位置検出とが独立に可能となる。尚、アパーチャ
A_PにはＰ偏光の光束＋LB_1P、−LB_1Pによって照射された
レチクル１のマークRMの像ができるが、同時にＳ偏光の
光束＋LB_1S、−LB_1Sの反射回折光もバックグラウンドノ
イズとして入ってくる。このためアパーチャA_PにはＰ偏
光を通す偏光板を設け、アパーチャA_SにはＳ偏光を通す
偏光板を設けるとよい。こうすると、２つの光電検出器
25の夫々で、ウェハからの光とレチクルからの光とが混
在してしまうクロストークは十分に低減される。

ここでラジアル・グレイティング11が停止している場
合に、アパーチャA_Pを介してえられる回折光104の光電
信号について解析してみる。先の（１）式でｎ＝±１に
すると、格子ピッチＰはラジアル・グレイティング11の
基準格子のピッチと、レンズ13、２焦点光学系21を通し
た結像倍率の関係にある。（同様にしてウェハ４上のマ
ークWMの格子ピッチも、マークRMの格子ピッチＰと投影
レンズ３の結像倍率に関連している。）さて、マークRM
に入射する光束＋LB_1Pによって生じる回折光の振幅VR⁺
は（２）式で与えられ、光束−LB_1Pによって生じる回折
光の振幅VR^-は（３）式で与えられる。

ここでＰはマークRMの格子ピッチであり、ｘはマーク
RMの格子配列方向の変位量である。これら２つの回折光
VR⁺、VR^-が互いに干渉したものが光電検出されるから、
光電信号の変化（回折光104の振幅）は（４）式のよう
に表わされる。

ここでa²＋ａ′^２は信号のバイアス（直流成分）であ
り、2a・ａ′が信号変化の振幅成分である。この（４）
式から明らかなように、光電信号はラジアル・グレイテ
ィング11とマークRMとが格子配列方向に相対的に変位す
ると正弦波状に変化する。その相対変位量ｘが、ｘ＝P/
2（格子ピッチの半分）になるたびに、信号幅幅は１周
期だけ変化する。一方、ウェハ４のマークWMからの回折
光105についても全く同様で、（４）式のように表わさ
れる。そこでこの２つの光電信号の位相関係を合致させ
るように、レチクル１又はウェハ４を移動させることに
よってアライメントが完了する。ただし（４）式からも
わかるように各信号は正弦波状であり、検出できる位相
差も±180゜の範囲内であるため、レチクル１とウェハ
４とは予めマークRM、WMの格子ピッチＰの1/2以下の精
度でプリアライメントされている必要がある。このよう
にラジアル・グレイティング11が停止している場合は、
得られる光電信号の振幅レベルはレチクル１又はウェハ
４を移動させることによってはじめて正弦波状に変化す
る。

ところでラジアル・グレイティング11が回転している
と、回折光104、105は周期的（正弦波状）な明暗情報と
なり、得られる光電信号は、レチクル１又はウェハ４が
静止していたとしても、正弦波状の交流信号となる。従
ってこの場合は、第１図中に示した光電検出器19からの
光電信号（正弦波交流信号）を基本信号として、マーク
RMからの回折光104の光電信号（正弦波交流信号）との
位相差φ_ｒを位相検出系で検出する。同様にして、マー
クWMからの回折光105の光電信号と基本信号との位相差
φ_ｗを検出する。そして、位相差φ_ｒとφ_ｗの差を求め
れば、レチクル１とウェハＷのｘ方向のずれ量がわか
る。この検出方式は所謂光ヘテロダイン方式と呼ばれ、
レチクル１とウェハ４が格子ピッチＰの1/2の位置誤差
範囲内であれば、静止状態であっても検出高分解能で位
置ずれ検出できるため、レチクル１のパターンをウェハ
４のレジストへ露光している間に微小な位置ずれが生じ
ないようにクローズド・ループの位置サーボをかけるの
に好都合である。この検出方式では、φ_ｒ−φ_ｗが零
（又は所定値になるようにレチクル１又はウェハ４を移
動させてアライメントを完了させた後、引き続きそのア
ライメント位置でレチクル１とウェハ４とが相対移動し
ないようにサーボ・ロックをかけることができる。

以上本実施例では、アライメント光学系をｘ方向の位
置ずれ検出用に１組だけ設けて説明したが、実際には２
組、又は３組が必要であり、ｘ方向、ｙ方向のアライメ
ント、あるいはｘ方向、ｙ方向、θ方向のアライメント
が行なわれる。３組のアライメント光学系を配置する場
合、ウェハ上のマーク配置は１例として第４図に示すも
のが考えられる。第４図はウェハ上の１つのショット領
域SAに付随した３ケ所の回折格子状マークWM_x、WM_y、WM
θを表わし、マークWMθ、WM_yはショット領域の両端に
設けられ、ともにｙ方向のずれ検出に使われる。マーク
WM_y、WMθのずれ量の差からショット毎にレチクル１と
の相対回転誤差が求められる。尚、第４図においてマー
クWM_x、WM_y、WMθはショット領域内に設けたが、スクラ
イブライン（ストリートライン）SL上に設けるようにし
てもよい。

以上、本実施例においては、ダイクロイックミラー22
で露光光とアライメント用照明光とを分離し、アライメ
ント光学系は露光中においてもレジストを感光させにく
い照明光によってレチクルとウェハとを同時観察できる
ようにしてある。しかも２焦点光学系を用いて投影レン
ズの色収差量に対応するようにアライメント用照明光を
２焦点化するため、レチクルとウェハとの間のアライメ
ント光路中には、従来のように補正光学系を設ける必要
がなく、レチクル上のマークとウェハ上のマークとを直
接検出して高精度なアライメントが可能となる。さらに
アライメント用のマークは高分解能で位置ずれ検出ので
きる回折格子とし、この回折格子の周期構造に応じて発
生する回折光の正弦波状のレベル変化をとらえるように
したため、レジストに対して透明な波長の照明光（非感
光光）を用いることと相まって、極めて安定で高精度の
位置ずれ検出が可能となる。また本実施例では、ラジア
ル・グレイティングを回転させて、回折格子マークを２
方向から照明する２つの光束＋LB_1P、−LB_1P（又は＋LB
_1S、−LB_1S）に位相差を与えることによって、すなわ
ち、ラジアル・グレイティングを周波数変調器として用
いることで光ヘテロダイン方式の位置ずれ検出を行なう
ようにしたが、レーザ光束LBをゼーマンレーザにして固
定の基準回折格子に入射させて２つの光束を得たり、又
は超音波光変調器（AOM）等を用いて互いに周波数がわ
ずかに異なる２つのレーザ光束を得たりすることによっ
ても、同様に光ヘテロダイン方式の計測ができる。特に
超音波光変調器等を用いると、ラジアル・グレイティン
グのような機械的可動部がいらないこと、変調による周
波数差がラジアル・グレイティングの場合よりも数段大
きくとれることから、位相差検出の分解能が上げられる
ことなどの利点がある。

また本実施例では、露光光とアライメント光とで波長
が異なり、その色収差量が大きいために２焦点素子を用
いた検出光学系を用いた。しかし投影レンズ自体が上記
２つの波長に対して収差補正されている場合は、２焦点
素子は必要なく、２つの波長で色消しされたテレセント
リックな対物レンズがあればよい。この場合でも、検出
系の受光面ではウェハからの信号とレチクルからの信号
とを分離して受光することができる。これはウェハ、レ
チクル、受光面の夫々がアライメント光の波長のもとで
も共役になるからである。

さらに露光光とアライメント光との波長を近似させて
もよい。この場合は投影レンズによって大きな色収差量
は発生しないものの、実質的に光源が異なることからア
ライメント精度に影響を与える程度の収差が残存するこ
ともあり、検出光学系として色消しされたテレセントリ
ックな対物レンズを用いる。このようなときに、露光光
の波長に近いアライメント光を発生する光源が存在しな
い場合は、非線形結晶にレーザ光を入射させ、この結晶
から高調波を発生させ、それを利用することもできる。
特にエキシマレーザを用いた露光装置の場合、露光波長
に近い波長で連続発振するレーザが存在しないことがあ
り、このようなときに非線形結晶を用いて所望のアライ
メント光を取り出すようにするとよい。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、回折格子を用いてマス
ク（レチクル）と基板とをアライメントする際、露光光
等の第１波長と実質的に異なる第２波長の光を使用する
ため、レジスト等の影響により検出された信号の微弱化
が防止され、S/N比のよい光電検出が可能となる。ま
た、２焦点光学系を用いて、投影光学系の色収差を補正
するため、TTR（スルーザレチクル）方式のOn−Axisア
ライメント系が構成でき、投影光学系を介したマスクと
基板（ウェア等）との直接的なアライメントが高精度に
達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による投影露光装置の全体的な
構成を示す図、第２図はアライメント系のみの構成を示
す図、第３図（ａ）はレチクル上の回折格子マークの形
状を示す平面図、第３図（ｂ）はウェハ上の回折格子マ
ークの形状を示す平面図、第３図（ｃ）は光電検出系に
設けられたマスク部材の形状を示す平面図、第４図はウ
ェハ上のマーク配置を示す平面図、第５図はレーザ光束
の入射の様子を示す図である。各図中において、１……レチクル３……投影レンズ４……ウェハ 10……レーザ光源 11……ラジアル・グレイティング 21……２焦点光学系 25……光電検出器 25′……マスク部材 30……水銀ランプ＋LB₁、−LB₁……１次光 RM……レチクル上の回折格子マーク WM……ウェハ上の回折格子マーク

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の波長成分の光に関してマスクと基板
とをほぼ共役関係にする結像光学系と、前記マスクに形
成された位置合わせ用の第１回折格子と前記基板に形成
された位置合わせ用の第２回折格子との各々からの回折
光を光電検出するための検出手段と、該検出手段からの
信号に基づいて前記マスクと基板との相対的な位置ずれ
を計測する計測手段とを備えた位置合わせ装置におい
て、前記第１波長成分とは実質的に異なる第２の波長成分の
照明光を前記第１回折格子と前記第２回折格子とに照射
するための光源と；該光源と前記マスクとの間に設けられ、前記照明光を１
対の第１照明光束と１対の第２照明光束とに変換すると
ともに、前記１対の第１照明光束を前記第１回折格子上
で所定角度で交差させ、前記１対の第２照明光束を前記
結像光学系の色収差に影響されることなく前記第２回折
格子上で所定角度で交差させる２光束化手段とを備えた
ことを特徴とする位置合わせ装置。
【請求項２】前記２光束化手段は前記照明光を１対の第
１照明光束と１対の第２照明光束とに変換する２光束変
換部材と、前記１対の第１照明光束を前記第１回折格子
が形成された前記マスクのパターン面で交差させ、前記
１対の第２照明光束を前記マスクのパターン面からの所
定量だけずれた面で交差させてから前記結像光学系を介
して前記第２回折格子が形成された前記基板の表面で交
差させる対物光学系とを含むことを特徴とする特許請求
の範囲第１項に記載の装置。
【請求項３】前記検出手段は、前記２光束変換部材と前
記対物光学系との間の光路中に配置されたビームスプリ
ッタと、前記第１回折格子から発生して前記対物光学系
を介して前記ビームスプリッタに達する第１の回折光
と、前記第２回折格子から発生して前記結像光学系、前
記マスクおよび前記対物光学系を介して前記ビームスプ
リッタに達する第２の回折光と受光する光電検出器と含
むことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装
置。
【請求項４】前記光源はレーザ光源であり、前記２光束
変換部材は該レーザ光源からのレーザ光を入射して所定
の周波数差を有する２つのレーザ光を射出する周波数変
調器を含むとともに、前記対物光学系は該変調器からの
２つのレーザ光を前記１対の第１照明光束を成す２つの
レーザ光と前記１対の第２照明光束を成す２つのレーザ
光とに分離して射出させるための分離光学系とを含み、
前記周波数変調器は前記第１回折格子から発生する前記
第１の回折光の強度振幅を前記周波数差に応じた周期で
正弦波状に変化させ、前記第２回折格子から発生する前
記第２の回折光の強度振幅を前記周波数差に応じた周期
で正弦波状に変化させることを特徴とする特許請求の範
囲第３項に記載の装置。
【請求項５】前記光電検出器は、前記第１の回折光と第
２の回折光とを個別に受光するように構成され、前記第
１の回折光の強度振幅の変化に応じた交流の第１の光電
信号と前記第１の回折光の強度振幅の変化に応じた交流
の第２の光電信号とを個別に出力することを特徴とする
特許請求の範囲第４項に記載の装置。
【請求項６】前記２光束変換部材は、前記周波数変調器
から射出された２つのレーザ光を共に分割するビームス
プリッタと、該分割された２つのレーザ光を交差させる
レンズ系と、該交差した２つのレーザ光で照射される参
照格子と、該参照格子から発生する回折光を受光して前
記周波数差に応じた周期で正弦波状に変化する第３の光
電信号を出力する光電検出器とを含むことを特徴とする
特許請求の範囲第５項に記載の装置。
【請求項７】前記計測手段は、前記第３の光電信号を基
準とした前記第１の光電信号の位相量φｒと、前記第３
の光電信号を基準とした前記第２の光電信号の位相量φ
ｗとを求めることによって、該位相量φｒ、φｗの差と
して求められる前記第１回折格子と第２回折格子との位
置ずれを計測する位相検出系を含むことを特徴とする特
許請求の範囲第６項に記載の装置。
【請求項８】レチクルを保持する第１の可動ステージ
と、前記レチクルを露光用照明光で照射する露光照明系
と、該露光用照明光のもとで前記レチクルの回路パター
ンの像を感光基板上に投影する投影光学系と、前記感光
基板を保持する第２の可動ステージと、前記投影光学系
と前記レチクルとを通った前記感光基板の格子マークか
らの光を受光して前記感光基板の位置を検出するアライ
メント検出手段とを備えた投影露光装置において、前記アライメント検出手段は、前記露光用照明光と異な
る波長のビームを放射する光源と、該ビームを入射して
周波数差を有する１対の照明光束を生成する周波数変調
器と、該１対の照明光束を前記レチクルと前記投影光学
系とを介して前記感光基板の格子マークに照射する対物
光学系と、前記１対の照明光束の照明によって前記格子
マークから発生して前記投影光学系、前記レチクルの透
明部および前記対物光学系を介して進む２つの回折光の
干渉光を受光し、前記周波数差に応じた交流の光電信号
を出力する第１の光電検出器とを含み、前記露光用照明光の照射により前記回路パターンの像を
前記感光基板上に投影露光している間、前記１対の照明
光束を前記格子マークに照射して前記第１の光電検出器
から出力される光電信号の基準交流信号に対する位相変
化を検知することによって、前記感光基板のアライメン
トずれを計測する計測手段とを備えたことを特徴とする
投影露光装置。
【請求項９】前記露光照明は、前記レチクルを覆うよう
に斜設され、前記対物光学系からの１対の照明光束と前
記露光用照明光とを同時に前記レチクルに向けて照射可
能とするダイクロイックミラーを含み、前記計測手段は
露光中に生じる前記アライメントずれを計測することを
特徴とする特許請求の範囲第８項に記載の装置。
【請求項１０】前記アライメント検出手段は、前記周波
数変調器と前記対物光学系との間に配置されて前記１対
の照明光束を分割するビームスプリッタと、該分割され
た１対の照明光束によって照射される参照格子と、該参
照格子から発生する２つの回折光の干渉光を受光して前
記基準交流信号を出力する第２の光電検出器とを含むこ
とを特徴とする特許請求の範囲第８項に記載の装置。
【請求項１１】前記感光基板の格子マークを照射する１
対の照明光束を、格子ピッチ方向に関して対称的な入射
角にすることにより、前記格子マークから発生する２つ
の回折光を該格子マークから垂直に発生させることを特
徴とする特許請求の範囲第８項に記載の装置。
【請求項１２】レチクルを保持する第１の可動ステージ
と、前記レチクルを露光用照明光で照射する露光照明系
と、該露光用照明光のもとで前記レチクルの回路パター
ンの像を感光基板上に投影する投影光学系と、前記感光
基板を保持する第２の可動ステージと、前記投影光学系
と前記レチクルとを通った前記感光基板の格子マークか
らの光を受光して前記感光基板の位置を検出するアライ
メント検出手段とを備えた投影露光装置を用いた投影露
光方法において、前記露光用照明光と異なる波長のビームから周波数差を
有する１対の照明光束を生成し、該１対の照明光束を前記レチクルと前記投影光学系とを
介して前記感光基板の格子マークに照射し、前記格子マ
ークから発生して前記投影光学系、前記レチクルの透明
部および前記対物光学系を介して進む２つの回折光の干
渉光を受光し、前記周波数差に応じたヘテロダイン交流
信号を出力し、前記ヘテロダイン交流信号の基準交流信号に対する位相
変化を検知することによって、前記感光基板のアライメ
ントずれを計測することを特徴とする投影露光方法。
【請求項１３】前記露光用照明光の照射により前記回路
パターンの像を前記感光基板上に投影露光している間、
前記アライメントずれを計測することを特徴とする特許
請求の範囲第12項に記載の方法。